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量子點的前世今生

美康基因科學2020-01-24 08:00:10


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量子點(quantum dots,QDs):又稱"人造原子"、"超原子"、半導體納米晶體,是一種準零維的納米材料。粒徑一般介于1-100nm,外觀恰似一極小的點狀物。量子點三個維度的尺寸都小于材料內部電子的費米波長,其內部電子在各方向上的運動都受到局限,所以量子局限效應(Quantum Confinement)特別顯著。由于電子和空穴被量子限域,連續的能帶結構變成具有分子特性的分立能級結構,能在特定激發光的誘導下產生熒光。作為一種新型的熒光材料,量子點被譽為"人類有史以來發現的最優秀的發光材料"。

  與其他納米晶材料不同,量子點是以半導體晶體為基礎的,每一個粒子都是單晶。量子點的名字,來源于半導體納米晶的量子限域效應,或者量子尺寸效應。當半導體晶體小到納米尺度(1納米大約等于頭發絲寬度的萬分之一),不同的尺寸就可以發出不同顏色的光。比如硒化鎘這種半導體納米晶,在2納米時發出的是藍色光,到8納米的尺寸時發出的就是紅色光,中間的尺寸則呈現綠色黃色橙色等等。量子點的發光顏色可以覆蓋從藍光到紅光的整個可見區,而且色純度高、連續可調。



正式開始介紹量子點之前,讓我們先來扒一扒量子點技術從實驗室一路走來的那些個大牛們。




1
Louis E.Brus

美國哥倫比亞大學Louis E.Brus教授被譽為納米電子學領域的奠基人之一,是半導體納米晶體(即通常所說的量子點)的發明人。1983年,時年在貝爾實驗室工作的Brus首次提出膠狀量子點(colloidal quantum dot)概念。


2
A. Paul Alivisatos


1998年,美國伯克利大學教授A. Paul Alivisatos和中國科學家Nie shu ming(聶書明)分別在同一期《science》上首次發表量子點應用于生物標記和細胞成像領域的開創性的研究成果,初步解決了量子點作為生物探針的靶向性和生物相容性問題,開啟了量子點生物熒光標記檢測技術的新時代。


3
聶書明


2012年,Xiaogang Peng(彭笑剛)小組發現閃鋅-CdSe/CdS量子點合成結構控制方法。


4
量子點熒光免疫分析儀

2018年,北京美康基因公司24通道全自動量子點熒光免疫分析儀檢測設備及5大系列20余種檢測試劑問世,標志著量子點熒光檢測技術全面進入臨床。


量子點熒光檢測技術


? ?量子點熒光的特點 ??

  
? ? ? ?1、?激發譜寬

  量子點的激發譜很寬,幾乎所有比它第一發射波長的更短波長的光都能對其激發。這一特性被廣泛的運用于多通道分析,只需要使用某一波長的光即可激發不同顏色的量子點,簡化了多通道分析的操作,降低了數據處理難度。此外,檢測應用中,寬激發譜為激發光的選擇上提供了更多的選擇,我們可以在其連續的激發譜中選擇較為合適的激發波長,降低生物樣本自發熒光對檢測的影響,提高分辨率和靈敏度。而對于有機熒光材料來說,激發譜狹窄導致當使用不同顏色染料標記時,有必要使用不同波長的光進行激發,這使得有機染料的多通道分析變得復雜而重現性低。

  2、發射峰窄

  量子點具有非常狹窄并且對稱的熒光發射譜,半峰寬(FWMH)多小于30nm,這使得在用多色量子點進行生物標記分析時,不同發射峰之間不會相互重疊或干擾,增大了結果的靈敏度和可信度。相比之下,如果采用不同顏色的有機染料進行多色標記時,由于其寬且帶有拖尾的熒光發射峰使得各峰之間出現嚴重的重疊,使得結果難以辨認,也最終減少了動力學研究范圍。


  3、斯托克斯位移(Stokes Shift)寬大

  斯托克斯位移(Stokes Shift)是指熒光發射光譜較相應的吸收光譜紅移。量子點不同于有機染料的一個重要的光學性質就是寬大的斯托克斯位移。當發射光譜與激發光譜間存在的巨大Stokes Shift時,可以通過干涉濾光片將發射光譜與激發光譜完全分離。這樣的光學性質相當重要,因為用于量子點的最佳激發和發射濾波片允許其光通過幾乎整個發射和吸收峰,與有機染料相比,對熒光信號的輸出有著更高水平的檢測。而對有機染料來說,濾波片必須以滿足最小化發射和激發光之間的重疊而足夠的寬,這意味著有機染料的光沒有完全通過濾波片,因此而降低了熒光信號的檢測,損耗了光的亮度。


  4、顏色可調性

  由于量子點的熒光發射峰對納米顆粒尺寸大小具有依賴性,通過調節納米顆粒的粒徑的大小。在免疫分析方法應用中,基于量子點的新型技術,與傳統的酶免分析方法和化學發光技術相比,量子點這種多色發光特性更是在多元分析中體現優勢。

  5、熒光強度高

  量子點具有非常高的激發重疊區(excitation cross-sections),這就意味著他們能吸收大量的激發光。量子點的熒光量子效率很高,一般是有機染料的1000倍。這就使得濃度極低的靶分子也可被檢測到,檢測限明顯降低,檢測的靈敏度明顯提高。

  6、光穩定性好

  相對于有機熒光染料,量子點對化學物質和生理代謝的降解有很強的抵抗能力,其光漂白域值也很高。不會像一般有機染料在很短觀察時間內就會發生嚴重的光漂白現象。


  7、熒光壽命長

  典型的有機熒光染料的熒光壽命僅為幾納秒(ns),這與很多樣本的自發熒光衰減的時間相當。而量子點的熒光壽命可持續長達數十納秒(20 ns一100 ns),這使得當光激發數納秒以后,大多數的自發熒光背景已經衰減,而量子點熒光仍然存在,此時即可獲得無背景干擾的熒光信號。


? ?子點熒光的優勢 ??


  與傳統的免疫分析方法相比,量子點免疫層析法的主要優勢有:

  1、靈敏度高

  量子點的熒光量子效率很高,比普通熒光高出2-3個數量級,其靈敏度與化學發光免疫分析法處于同一水平,可以達到10-18mol/L。

  


  2、線性范圍寬

  量子點的線性范圍可以達到4-6個數量級,比常規的酶聯免疫法至少高出2個數量級。

  


  3、多色檢測

  量子點具有可精確調節的發射波長??梢酝ㄟ^調整粒子尺寸來得到不同發射的熒光量子點,無需改變粒子的組成和表面性質。使得量子點可以用于多種組分的多色標記,實現多組份的同時檢測。這將比傳統的膠體金免疫層析技術的多元檢測體現出更大的優勢,減少了不同抗體間的交叉反應,特異性更強,相互間不會產生干擾。

  4、操作簡便、快速

  熒光免疫層析技術本身存在的優勢就是樣本不需要前處理,操作環節大大減少,并且檢測的時間很短,最快只需要幾分鐘就可以得到檢測結果。

  5、試劑效期長且常溫保存、儲運方便

  量子點是人工合成的產物,穩定性很好,對物理、生物、化學等條件的變化具有很強的抵抗力。量子點試劑無需低溫冷鏈存儲運輸,因此會大幅降低存儲、運輸的成本,同時也會避免因存儲運輸不當而造成的質量問題。


  參考文獻:

  1、?Alivisatos. Science . 1998. 281 (5385) :2013

  2、?Shuming Nie. Science.1998. 281:2016

  3、?J. Am. Chem. Soc. 2012.134 (48): pp 19685-19693

  4、?Nature biotechnology.Jan 2003. V 21.

  5、?Annu. Rev. Biomed. Eng. 2005. 7:55-76

  6、?Nanotechnology. 2005. 16:R9--R25




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